南水北调东线工程沿线湖泊表层沉积物重金属污染特征及生态风险评价.pdf

以南水北调东线工程的南四湖、骆马湖、洪泽湖、高邮湖为研究对象，通过优劣解距离多指标综合评价模型（TOPSIS 法）和潜在生态风险指数法分析 4 个湖泊表层沉积物中 7 种重金属（Cr、Cu、Ni、Zn、Pb、Cd、As）空间分布特征及生态风险，并与我国五大湖区其他湖泊进行对比分析。结果显示：4 个湖泊表层沉积物重金属浓度均低于同在东部平原湖区的太湖、巢湖、洞庭湖、鄱阳湖等湖泊，但高于蒙新、青藏、东北山地与平原湖区的湖泊，不同区域湖泊沉积物重金属分布具有明显的差异，除了地质构造特征外，工农业生产等人类活动也是导致湖泊沉积物重金属存在差异的主要因素；TOPSIS 法评价结果显示，4 个湖泊表层沉积物重金属综合风险存在一定空间差异，可能受沿线陆域土地利用类型变化、工农业生产等人类活动等因素的影响，重金属污染程度排序为南四湖高邮湖洪泽湖骆马湖；4 个湖泊表层沉积物重金属综合潜在生态风险水平为低，但 Cd 单项重金属存在中度至较高潜在生态风险。建议加强南水北调东线工程沿线湖泊周边工农业生产排放的监管，进一步调整和优化各湖泊沿线的产业结构，同时加强重金属特别是 Cd 等入湖的管控，以确保南水北调东线工程沿线湖泊的水环境安全。关键词南水北调东线工程；湖泊；表层沉积物；重金属；生态风险；空间分布特征中图分类号：X524文章编号：1674-991X（2023）04-1354-10doi：10.12153/j.issn.1674-991X.20220913Pollution characteristics and ecological risk assessment of heavy metals in surfacesediments of lakes along the east route of South-to-North Water Diversion ProjectZHANGJiagen1,2,HUANGTianyin2,CHENShuqin3,WUYusheng1,2,PANGYan1*,XUQiujin1*1.NationalEngineeringLaboratoryforLakePollutionControlandEcologicalRestoration,ChineseResearchAcademyofEnvironmentalSciences2.SchoolofEnvironmentalScienceandEngineering,SuzhouUniversityofScienceandTechnology3.SchoolofResourcesandEnvironment,AnqingNormalUniversityAbstractNansiLake,LuomaLake,HongzeLakeandGaoyouLakealongtheeastrouteofSouth-to-NorthWaterDiversionProjectweretakenastheresearchobjects,thespatialdistributioncharacteristicsandecologicalrisksofsevenheavymetals(Cr,Cu,Ni,Zn,Pb,Cd,As)inthesurfacesedimentsofthefourlakeswereanalyzedbythemulti-indexcomprehensiveevaluationmodel(TOPSISmethod)andthepotentialecologicalriskindexmethod,andwerecomparedandanalyzedwithotherlakesinthefivegeographicregionsofChina.TheresultsshowedthattheconcentrationofheavymetalsinthesurfacesedimentsofthefourlakeswaslowerthanthatofTaihuLake,ChaohuLake,DongtingLakeandPoyangLakeintheEasternPlainLakeArea,buthigherthanthatofthelakesinMengxin,Qinghai-Tibet,NortheastMountainandPlainLakeareas,andthedistributionofheavymetalsinlakesedimentsindifferentregionshadobviousdifferences.Inadditiontogeologicalstructuralcharacteristics,humanactivitiessuchas industrial and agricultural production were the main factors that led to differences in heavy metals in lake收稿日期：2022-08-27基金项目：国家水体污染控制与治理科技重大专项（2017ZX07301-006-06）作者简介：张家根(1998)，男，硕士研究生，主要从事湖泊水污染防治研究，*责任作者：1.庞燕(1970)，女，研究员，主要从事湖泊水污染控制及生态修复研究，2.许秋瑾(1970)，女，研究员，主要从事湖泊富营养化机理、水体生态修复研究，Vol.13，No.4环境工程技术学报第13卷，第4期Jul.，2023JournalofEnvironmentalEngineeringTechnology2023年7月张家根，黄天寅，陈书琴，等.南水北调东线工程沿线湖泊表层沉积物重金属污染特征及生态风险评价 J.环境工程技术学报，2023，13（4）：1354-1363.ZHANGJG,HUANGTY,CHENSQ,etal.PollutioncharacteristicsandecologicalriskassessmentofheavymetalsinsurfacesedimentsoflakesalongtheeastrouteofSouth-to-NorthWaterDiversionProjectJ.JournalofEnvironmentalEngineeringTechnology，2023，13（4）：1354-1363.sediments.Thecomprehensivepotentialecologicalrisklevelofheavymetalsinthesurfacesedimentsofthefourlakes was low,but the individual heavy metal of Cd had moderate to high potential ecological risks.It wasrecommendedtostrengthenthesupervisionofindustrialandagriculturalproductiondischargearoundthelakesalongtheeastrouteofSouth-to-NorthWaterDiversionProject,furtheradjustandoptimizetheindustrialstructurealongeachlake,andstrictlycontroltheinputofheavymetalpollution,especiallythecontrolofheavymetalCdandotherhumanactivities,toensurethewaterenvironmentsafetyofthelakesalongtheeastrouteofSouth-to-NorthWaterDiversionProject.Key wordseastrouteofSouth-to-NorthWaterDiversionProject;lake;surfacesediment;heavymetal;ecologicalrisk;spatiallydistributedcharacteristics南水北调东线工程沿线过境湖泊主要有东平湖、南四湖、骆马湖、洪泽湖、高邮湖，作为东线工程蓄水库、水源地，其水环境条件优劣对于流域沿线城市经济、环境、人口等发展至关重要1-3。湖泊水环境中重金属作为典型的累积型污染物，因其难降解、毒性大，且具有持久性4-5，在自然条件下无法降解，大部分会通过吸附、沉淀、络合等作用沉积在湖泊沉积物中6-8。近年来，南水北调东线工程沿线湖泊沉积物受到入湖河流以及近岸城镇居民生产生活的影响，存在不同程度的重金属污染9。如李文博等10研究发现，近 10 年来骆马湖沉积物重金属的污染程度呈现递增趋势；陈乾坤等11运用潜在生态风险指数法对高邮湖沉积物进行评价，发现 Cd 是沉积物重金属潜在生态风险的主要贡献因子，其次为 As；李宝等12通过富集因子法得出南四湖表层沉积物重金属 Cd、As、Pb 存在一定程度的富集；訾鑫源等13采用潜在生态风险指数法对洪泽湖进行风险评价，得出 Cd 存在较严重的生态风险。但目前的研究大多针对单个湖泊开展，缺乏湖泊重金属的综合污染评价及各湖泊间的对比研究。笔者探讨了南水北调东线工程沿线南四湖、骆马湖、洪泽湖、高邮湖 4 个湖泊（这 4 个湖泊同属于淮河流域，各湖泊间水文水质联系相对紧密，而东平湖大部分湖区属于黄河流域，地理位置与 4 个湖泊较远，故未选择）表层沉积物中7 种重金属（Cr、Cu、Ni、Zn、Pb、Cd、As）污染特征及生态风险，并与我国五大湖区其他湖泊进行对比分析，探讨其对南水北调东线工程的潜在影响，以期为南水北调东线工程沿线湖泊水环境安全及重金属污染防控提供科学参考。1研究区与研究方法 1.1研究区概况南水北调东线工程从长江下游扬州附近抽引江水，利用京杭大运河及其平行的河道为输水主干线和分干线逐级提水北送，穿越淮河流域和黄河流域，并连通作为调蓄水库的高邮湖、洪泽湖、骆马湖和南四湖14。高邮湖位于江苏省中部，淮河中下游，是江苏省第三大湖泊，湖泊长 48km，最大宽度为 28km，水域面积为 760.67km2，平均水深 1.4m，总库容为 9.716108m315。洪泽湖位于江苏省北部、淮河中下游，分属江苏省淮安、宿迁 2 市，是淮河流域最大的湖泊，水域面积为 2069km2，平均水深 1.9m16。骆马湖位于江苏省北部，由徐州、宿迁 2 市共同管辖，湖泊总面积为 287km2，平均水深 2.7m，总库容为 9.18108m317。南四湖位于山东省西南部，隶属济宁市和枣庄市，湖泊长约 125km，宽 530km，总库容为 53.7108m3，水域总面积为 1266km2，平均水深 1.46m18。1.2研究方法1.2.1样品采集与分析利用网格法在 4 个湖泊共设置 55 个采样点，其中南四湖 23 个、骆马湖 12 个、洪泽湖 12 个、高邮湖 8 个（图 1）。于 2021 年 1011 月根据沉积物质量调查评估手册19的要求进行采样，表层沉积物样品用抓斗式采泥器抓取，将采集好的沉积物样品装入排空空气的聚乙烯袋中，避光冷藏，于 04 下保存运回实验室，经冷冻干燥并去除杂物后过100 目筛，置于自封袋中保存。用天平称取 0.1g 沉积物样品置于聚乙烯微波消解管中，加入硝酸-氢氟酸-高氯酸混合酸体系（HNO3-HF-HClO4），用微波消解仪（MDS-10）消解 1h 后，用赶酸仪赶酸，温度调至 160，在通风橱内赶酸 1h，直至管中液体底部出现黄色颗粒；冷却后加入 5mL2%的 HNO3，随后使用 50mL 比色管对消解管内液体进行定容，其间不断用 2%的 HNO3冲洗消解管内壁并转移至比色管，定容至 50mL，过 0.45m 滤膜后待测；最后使用电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS7700Series）进行沉积物样品中重金属元素Cr、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Pb 浓度测定。上述分析过程所用试剂均为优级纯，试验用水均为超纯水，使用GBW07312(GSD-12)水系沉积物标准样品作为质控检查试验精度，其相对标准偏差10%。第4期张家根等：南水北调东线工程沿线湖泊表层沉积物重金属污染特征及生态风险评价13551.2.2重金属污染评价方法1.2.2.1优劣解距离多指标综合评价模型优劣解距离多指标综合评价模型（TOPSIS 法）于 1981 年由 Hwang 等提出，是多目标决策分析中适用 于 多 变 量 多 因 素 的 模 型20-21。本 研 究 采 用TOPSIS 法对多个湖泊水环境中多种重金属元素污染情况进行分析。首先建立多个湖泊多种重金属的原始矩阵 X，该矩阵的最优评价方案及最劣评价方案即为对所有数据进行评价的最低和最高标准22。所建立的 n 个湖泊、m 种重金属的原始矩阵 X 如下：X=(xij)mn（1）式中 xij为各湖泊 i 点位的第 j 种重金属的浓度，mg/kg。对原始矩阵 X 做归一化处理：uij=(xijxmin)/(xmaxxmin)（2）式中：uij为原始矩阵中 xij归一化处理后的数值，其取值为 01；xmin为 xij中每种重金属浓度的最小值，mg/kg；xmax为 xij中每种重金属浓度的最大值，mg/kg。由于湖泊沉积物重金属浓度是逆向指标，uij越接近 1，表示浓度越高；uij越接近 0，表示浓度越低。因此，根据归一化矩阵可确定湖泊沉积物重金属综合评价问题的最优评价方案 A+（各种重金属对应的uij=0）和最劣评价方案 A（各种重金属对应的 uij=1）分别为(0,0,0,0,0,0,0)和(1,1,1,1,1,1,1)，对应的分别是 4 个湖泊沉积物中的 7 种重金属。根据各点位的归一化数据计算出其与最优评价方案 A+和最劣评价D+iDi方案 A的距离与：D+i=(uij优uij)2（3）Di=(uij劣uij)2（4）D+iDi式中：uij 优对应的是 A+中每个数值，即为 0；uij 劣对应的是 A的每个数值，即为 1；为 i 点位的归一化数据 uij与 A+的距离；为 i 点位的归一化数据 uij与A的距离。计算得出各点位评价指标与 A+的接近程度，即各点位的综合风险指数（Ci，数值为 01），用以表示对各点位的综合评价结果，公式如下：Ci=Di/(Di+D+i)（5）1.2.2.2潜在生态风险指数法潜在生态风险指数法由瑞典科学家 Hakanson提出，被普遍用于综合评价重金属的潜在生态风险，计算公式23如下：Cjf=Cj/Cjm（6）Ejr=TjrCjf（7）RI=mj=1Ejr（8）式中：Cfj为重金属 j 的污染指数；m 为重金属种类数，个；Cj为重金属 j 的实测浓度，mg/kg；Cnj为重金属 j 的地球化学背景值（表 1），mg/kg；Erj为重金属j 的潜在生态风险系数；Trj为重金属 j 的毒性系数，Cr、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Pb 的毒性系数分别为 2、5、5、1、10、30、5；RI 为重金属综合潜在生态风险指数。Erj、RI 的评价等级划分见表 2。图 1 研究区概况及采样点分布Fig.1Surveyofresearchareaanddistributionofsamplingpoints1356环境工程技术学报第13卷 1.3数据处理及统计分析采用 Excel2016、Origin2021、GraphPadPrism8软件分析处理并绘制箱线图、柱状图及聚类热图等；根据点位坐标信息并结合各湖泊对应点位重金属综合风险指数，通过 ArcGIS10.8 软件进行克里金插值，得到湖泊表层沉积物的采样点位分布图和重金属综合污染指数的统计空间插值图。2结果与讨论 2.1表层沉积物重金属污染特征南水北调东线工程沿线 4 个湖泊表层沉积物中7 种重金属（Cr、Cu、Ni、Zn、Pb、Cd、As）浓度如图 2所示。南四湖表层沉积物重金属 Cr、Ni、Pb、As、Cd 浓度均值分别为 87.18、44.79、15.32、15.46、0.25mg/kg，分别是山东省土壤背景值的 1.45、1.42、1.40、2.33、3.25 倍，其 Cd、As、Cr、Ni 浓度均值为 4 个湖泊中最高。高邮湖表层沉积物重金属 Zn、Pb、As、Cd 浓度均值分别为 85.21、25.06、16.07、0.22mg/kg，是江苏省土壤背景值的 1.31、1.14、1.71、2.59 倍，其Zn、Pb 浓度均值为 4 个湖泊中最高，Cd、As 浓度最大值分别在湖区东部样点 G1、G4 处，达到背景值的 3.53、2.31 倍。洪泽湖表层沉积物中 As、Cd 浓度均值为 14.42、0.17mg/kg，是江苏省土壤背景值的1.53、2.00 倍，Cd、As 浓度最大值分别在湖区西部样点 H12、湖心北部样点 H2 处，达到对应背景值的3.18、2.05 倍。骆马湖表层沉积物 As、Cd 浓度均值为 10.82、0.15mg/kg，是江苏省土壤背景值的 1.15、1.76 倍，为 4 个湖泊中最低。采用单因素方差分析(ANOVA)对 4 个湖泊表层沉积物中 7 种重金属的浓度进行差异性分析，结果如图 2 所示。4 个湖泊表层沉积物重金属浓度除Cu、Zn 外均有显著性差异。南四湖表层沉积物中Cr、Ni 浓度显著高于其他 3 个湖泊（P0.001），As 浓度显著高于骆马湖（P0.001）；高邮湖表层沉积物中Cd 浓度显著高于骆马湖（P0.01），高于洪泽湖（P0.05）。综上可知，南四湖、高邮湖表层沉积物中Cd、As 浓度显著高于其他 2 个湖泊。南四湖湖周区域多为煤矿开采基地及农副产品生产基地，煤矿开采过程中造成的 As 排放和湖区周边农业生产的农药使用可能是造成 As 累积的主要原因，而化肥在农业生产中的大量使用可能是造成 Cd 等重金属积累的重要原因9；高邮湖湖区 Cd、As 浓度较高可能与密集施用化肥与农药的农田和养殖池塘废水排放有关1。我国主要湖泊区域划分为青藏高原湖区、蒙新高原湖区、东部平原湖区、东北平原与山地湖区、云贵高原湖区五大湖区25。南四湖、骆马湖、洪泽湖、高邮湖属于东部平原湖区，这 4 个湖泊表层沉积物重金属浓度与五大湖区典型湖泊的对比见表 3。由表 3 可知，4 个湖泊表层沉积物 Zn、Cd、Cu、Pb、As 浓度均低于同属于东部平原湖泊的太湖、巢湖、洞庭湖、鄱阳湖，Cd、As 浓度与东北平原及山地湖泊相比较高，Cr、Pb、As 浓度均高于蒙新高原湖区的乌梁素海、博斯腾湖、乌伦古湖。与青藏高原湖区的湖泊相比，4 个湖泊表层沉积物 Cr、Ni、Zn、Cd、Cu 浓度较高，但 Pb、As 浓度低于青藏高原湖区的纳木错、羊卓雍错；与云贵高原湖区的湖泊相比，4 个湖泊表层沉积物重金属 Pb、Cu、As 浓度均较低。综上可知，不同区域湖泊沉积物重金属的分布具有明显的区域性差异，且工农业发展迅速、人类活动频繁地区的湖泊沉积物重金属浓度高于工农业发展落后、人类活动较少的地区，说明除了地质构造特征不同导致重金属土壤背景值存在区域性差异外，工农业生产等人类行为也是导致湖泊沉积物重金属存在差异的主要因素26-27。2.2表层沉积物重金属风险评价2.2.1表层沉积物重金属综合风险指数空间分布采用优劣解距离多指标综合评价模型，对 4 个湖泊各点位表层沉积物重金属浓度数据进行整体的归一化处理，结果见表 4，各湖泊沉积物重金属浓度空间分布特征如图 3 所示。由图 3 可知，4 个湖泊表层沉积物重金属的空间分布特征存在明显差异。南四湖表层沉积物重金属污染表现为湖区东南部高于西北部，湖区东部点位 N12、N13、N14、N18 污染较为严重，Ci最高可达 0.68，该区域点位靠近西部农表 1 山东省、江苏省土壤环境重金属元素背景值24Table1BackgroundvaluesofheavymetalelementsinsoilenvironmentofShandongandJiangsuProvincemg/kg省份CrNiCuZnAsCdPb山东省6031.633.9907.50.07715江苏省75.632.823.464.89.40.08522表 2 Er j、RI 评价等级划分Table2EvaluationgradedivisionofErjandRIErj单项重金属潜在生态风险评价等级RI综合潜在生态风险评价等级40低150低4080中等150300中等80160较高300600较高160320高600高320极高第4期张家根等：南水北调东线工程沿线湖泊表层沉积物重金属污染特征及生态风险评价1357业种植区，重金属 Cd、As、Cu 与农业生产中化肥、农药的使用及农业污水排放有关，农业退水及农田面源污染可能带来 As、Cd、Cu 污染。对比李宝等122020 年的研究，发现本研究南四湖表层沉积物注：*表示 P0.05；*表示 P0.01；*表示 P高邮湖洪泽湖骆马湖。2.2.2表层沉积物重金属潜在生态风险评价对 4 个湖泊表层沉积物中的单项重金属潜在生态风险及 7 种重金属的综合潜在生态风险进行评价，结果如表 6、图 4 所示。由表 6 可知，比较 Erj发现，4 个湖泊表层沉积物重金属主要风险贡献因子均为 Cd，其在 4 个湖泊所有点位风险贡献占比均达到50%以上，其中在骆马湖（54.27）、洪泽湖（60.02）存在中等生态风险，在高邮湖（94.71）、南四湖（96.36）存在较高生态风险。南四湖 N14 点位 Cd 的 Erj为178.50，达到高生态风险水平，为 4 个湖泊所有点位中最大值。4 个湖泊表层沉积物中其他 6 种重金属单项潜在生态风险等级均为低风险（即 Erj高邮湖洪泽湖骆马湖，并且综合潜在生态风险等级均为低（即 RI150）。与我国五大湖区其他湖泊比较，4 个图 3 4 个湖泊表层沉积物重金属综合风险指数空间分布Fig.3Spatialdistributionofcompositeevaluationindexofheavymetalsinsurfacesedimentsofthefourlakes表 5 4 个湖泊表层沉积物重金属污染程度综合评价对比Table5Comprehensiveevaluationandcomparisonofheavymetalpollutioninsurfacesedimentsofthefourlakes湖泊DD+Ci南四湖2.5451.4470.637骆马湖0.6572.6380.199洪泽湖1.6111.9340.454高邮湖1.8632.0460.4761360环境工程技术学报第13卷表 6 4 个湖泊与我国五大湖区湖泊表层沉积物重金属Er j、RI 对比Table6ComparisonofErj、RIofheavymetalsinsurfacesedimentsofthefourlakesandtypicallakesinthefivegeographicregionsofChina湖区湖泊ErjRI生态风险等级CrCuNiZnPbCdAs东部平原湖区南四湖2.914.457.090.915.1196.3620.61137.42低骆马湖1.815.745.901.135.0354.2711.5185.41低洪泽湖1.795.835.471.305.2660.0215.3495.01低高邮湖1.675.784.861.315.7094.7117.09131.12低鄱阳湖322.4513.805.563.109.19181.59393.98较高太湖292.287.527.361.868.16134.23161.41中等东北平原与山地湖区五大连池271.624.210.873.1021.958.9140.66低蒙新高原湖区博斯腾湖341.155.264.290.896.2835.8253.69低云贵高原湖区滇池381.905.504.801.908.05119.0515.80157.00中等青藏高原湖区青海湖361.684.574.220.894.4146.0111.3376.57低羊卓雍错272.055.085.221.015.5831.7912.0562.78低图 4 4 个湖泊表层沉积物重金属潜在生态风险评价结果Fig.4Evaluationresultsofpotentialecologicalriskofheavymetalsinsurfacesedimentsofthefourlakes第4期张家根等：南水北调东线工程沿线湖泊表层沉积物重金属污染特征及生态风险评价1361湖泊表层沉积物重金属 RI 均低于同属于东部平原湖区的太湖（161.41）、鄱阳湖（393.98）和云贵高原湖区的滇池（157.00）。3结论（1）南水北调东线工程沿线南四湖、骆马湖、洪泽湖、高邮湖表层沉积物中重金属 Cd、As 浓度与背景值相比较高，分别是背景值的 1.183.25 倍、1.152.33 倍。与我国五大湖区湖泊相比较，不同区域湖泊表层沉积物重金属的分布具有明显的差异，除了地质构造特征导致的区域性差异外，工农业生产等人类行为也是导致湖泊沉积物重金属存在差异的主要因素。（2）4 个湖泊表层沉积物重金属浓度存在一定的空间差异，其表层沉积物重金属综合潜在生态风险水平均表现为低风险，对南水北调东线工程的潜在影响较小，但 Cd 作为 4 个湖泊综合潜在生态风险的主要贡献因子，其单项重金属潜在生态风险水平为中等至较高。（3）建议加强南水北调东线工程沿线湖泊所在区域政府针对湖泊周边工业、农业生产排放的监管，并进一步调整和优化各湖泊上游的产业结构，同时严格控制重金属污染输入，以确保南水北调东线工程沿线湖泊的水环境安全。参考文献GUOCB,CHENYS,XIAWT,etal.EutrophicationandheavymetalpollutionpatternsinthewatersupplinglakesofChinasSouth-to-NorthWaterDiversionProjectJ.ScienceoftheTotalEnvironment，2020，711：134543.1YUM,WANGCR,LIUY,etal.Sustainabilityofmegawaterdiversionprojects:experienceandlessonsfromChinaJ.ScienceoftheTotalEnvironment，2018，619/620：721-731.2ZHAO Z H,GONG X H,DING Q Q,et al.EnvironmentalimplicationsfromtheprioritypollutantsscreeninginimpoundmentreservoiralongtheeasternrouteofChinasSouth-to-North Water Diversion ProjectJ.Science of the TotalEnvironment，2021，794：148700.3UNGUREANU G,SANTOS S,BOAVENTURA R,et al.Arsenic and antimony in water and wastewater:overview 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